第六节设备管理

1、第六节 设备(shbi)管理共二十页6、1 I/O系统(xtng)的组成设备(shbi)管理所管理的资源是除了CPU、内存储器以外的所有输入、输出设备(shbi)，其中也包括设备(shbi)控制器和通道。6、1、1 I/O系统的结构一、微型机I/O系统：二、主机I/O系统：CPU存储器磁盘控制器打印机控制器其它控制器磁盘驱动器打印机系统总线总线型I/O系统结构计算机通道2通道1控制器控制器控制器控制器设备设备具有通道的I/O系统结构共二十页6、1、2 I/O设备一、I/O设备的类型1)按传输速率分类(fn li)：a) 低速设备。 几个字节数百字节/s，如键盘、鼠标；b) 中速设备。数千字节数

2、十千字节/s,如行式打印机；c) 高速设备。数百千字节数兆字节/s,如磁带机、光盘；2)按信息交换单位分类：a) 块设备。信息的存取以数据块为单位；b) 字符设备。用于数据的输入和输出，基本单位为字节；3)按设备的共享属性分类a)独占设备。在一段时间内只允许一个用户访问的设备；b)共享设备。一段时间内允许多个用户同时访问的设备；c)虚拟设备。用虚拟技术将独占设备变换为共享设备；共二十页二、设备与控制器之间接口的信号1)数据信号对输入而言是设备发送给控制器的，对输出而言是控制器所接收的比特流；2)控制信号由控制器发送给设备的控制读/写、执行；3)状态信号指示设备当前状态；6、1、3 设备控制器一

3、、设备控制器的功能：1)接收和识别命令用控制寄存器接收命令并进行译码2)数据交换实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换；3)设备状态的了解和报告其中的状态寄存器将记录(jl)设备的当前状态；4)地址识别系统中的每一设备都有一个固定地址，设备控制器应能识别它所控制的每个设备的地址；共二十页二、设备控制器的组成：1)控制器与CPU的接口用于CPU 与控制器通信(tng xn) 共有三类信号线：数据线、地址线、控制线2)控制器与设备的接口通常有多个设备接口；3)I/O逻辑用于实现对设备的控制 I/O逻辑(lu j)控制器与设备接口1控制器与设备接口i数据寄存器控制/状态寄存器数据线地址线

4、 控制线数据 状态 控制数据 状态 控制CPU与控制器接口控制器与设备接口共二十页6、1、4 I/O通道I/O通道是一种特殊的处理机，它具有执行I/O指令的能力，并通过执行(I/O)程序来控制I/O操作。一、通道类型1) 字节多路通道通道中含有许多非分配型子通道，每个子通道连接(linji)一台I/O设备，以字节为单位按时间片方式共享主通道；（适于连接(linji)低速设备）2) 数组选择通道按数组方式进行数据传送，它只包含一个分配型子通道，一段时间内控制一台设备进行数据传送，故利用率不高；（适于连接高速设备）3)数组多路通道将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道（设备）分时并行操

5、作的特点相结合，而形成的一种新通道。共二十页二、“瓶颈”问题：由于通道价格较贵，系统中配置数量少，而造成(zo chn)整个系统吞吐量的下降。存储器通道(tngdo)1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4设备1设备2设备3设备4设备5设备6设备7存储器通道1通道2I/O设备控制器1控制器2I/O设备I/O设备I/O设备单通路I/O系统：多通路I/O系统：共二十页6、2 I/O控制(kngzh)方式6、2、1 程序控制方式(fngsh) 在早期系统中由于无中断机构，处理机对I/O设备的控制采取程序I/O方式：处理机向控制器发出一条I/O指令启动输入设备、输入数据时，要同时把状态寄存器中的忙/闲

6、标志busy置为“1”，然后便不断循环检测busy。向I/O控制器发出命令读I/O控制器的状态向存储器中写字从I/O控制器中读入字检查状态？传送完成？未就绪 出错 下条指令CPU-I/OI/O-CPU就绪I/O-CPUCPU-内存未完完成共二十页6、2、2 中断驱动I/O方式 当某进程要启动某个I/O设备工作时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回(fnhu)继续执行原来的任务。设备控制器按照该命令的要求去控制I/O设备，此时，CPU 与I/O 设备并行操作。向I/O控制器发读命令(mng lng)读I/O控制器的状态检查状态？向内存中写字从I/O控制器中读字传送完成？

7、CPU-I/OCPU做其它事中断I/O-CPU出错就绪I/O-CPUCPU-内存未完完成下条指令共二十页6、2、3 直接内存访问DMA控制方式一、DMA控制方式的引入：为进一步减少CPU对I/O的干预而引入此方式，其特点是1）数据(shj)传输的基本单位是数据(shj)块；2）所传输的数据是从设备直接送入内存的(或相反)；3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，CPU才干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。二、DMA控制器的组成：1）主机与DMA控制器的接口；2）DMA控制器与块设备的接口；3）I/O控制逻辑； 为了实现控制器与主机之间成块数据的直接交换，必须在DMA控制器中设置四

8、类 寄存器。共二十页1）命令/状态寄存器接收从CPU发来的I/O命令、控制信息或设备的状态；2）内存地址寄存器MAR存放数据从设备到内存的目标地址，或由内存到设备的内存源地址；3）数据(shj)寄存器DR暂存从设备到内存或从内存到设备的数据(shj)；4）数据计数器DC存放本次CPU要读或写的字节数； coutDRDCCRMARI/O控制逻辑CPU内存(ni cn)主机控制器接口控制器块设备接口DMA控制器系统总线命令DMA控制器的组成：共二十页6、2、4 I/O通道控制方式一、通道控制方式的引入 DMA方式虽然已显著地减少了CPU的干预，但CPU每发出一条I/O指令，只能去读（写）一个数据块

9、。通道是DMA方式的发展，以读（写）一组数据块为控制和管理的单位，同时，实现了CPU、通道、I/O设备三者的并行工作。二、通道程序通道是通过执行通道指令与控制器一起共同实现对I/O设备的控制的。每条指令包括下列(xili)信息：1）操作码规定指令所执行的操作；2）内存地址标明读/写操作时的内存首址；3）计数表示本条指令所要读（写）数据的字节数；4）通道程序结束位P表示通道程序是否结束(P1）;5)记录结束标志RR=1表示处理某记录是最后一条指令共二十页6、3 设备(shbi)分配6、3、1 设备分配中的数据结构设备分配时通常都需要借助于一些表格一、设备控制表DCT1）设备队列队首指针指向等待设

10、备之PCB队列队首;2）设备状态指出当前该设备所处的状态；3）与设备连接的控制器表指针；4）重复执行次数系统允许传送错误的重复上限；二、控制器表、通道表、系统设备表1）控制器控制表COCT用于记录(jl)控制器情况；2）通道控制表CHCT每个通道一张记录该通道情况3）系统设备表SDT记录了系统中全部设备的情况，每个设备占一个表目，包括设备类型、设备标识、设备控制表及设备驱动程序的入口等；共二十页6、4、2 设备分配时应考虑的若干因素一、设备的固有属性独享设备采用将设备分配给某进程后，直至该进程释放，由其独占的分配策略；共享设备在同时分配给多进程时需进行合理调度；虚拟设备经技术处理这类独占设备已

11、改造为共享设备二、设备分配算法先来先服务根据(gnj)进程对某设备提出请求的先后顺序；优先级高者优先优先权高的进程既可优先获得处理机；也可将优先级高的进程排在设备队列前面；三、设备分配中的安全性1）安全分配方式当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成后才被唤醒；2）不安全分配方式进程发出I/O请求后仍继续运行，仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时才被阻塞；共二十页6、4、3 设备独立性一、基本概念设备独立性即设备无关性：应用程序独立于具体使用的物理设备，而用逻辑设备名来请求某类物理设备，而系统在实际执行时，是使用物理设备名称。优点：1）设备分配时的灵活性不会由于请求某一具

12、体物理设备不能被满足而造成进程不必要的阻塞。因为，只要同类设备具有(jyu)相同的逻辑设备名，进程所申请的设备中有一个可以满足即可；2）易于实现I/O重定向I/O重定向指用于I/O操作的设备可以更换。共二十页二、设备独立性软件为实现设备独立性必须在驱动程序上设置一层软件，其主要功能分为两方面：1）执行所有设备的公有操作。（1）独占设备的分配与回收；（2）将逻辑设备名映射为物理设备名；（3）对设备进行保护，禁止用户直接(zhji)访问设备；（4）缓冲管理，提高I/O效率；（5）差错控制：处理设备驱动程序无法处理的错误；2）向用户层软件提供统一的接口。三、借助于逻辑设备表（LUT）实现设备名映射逻

13、辑设备名物理设备名驱动入口/dev/tty31024/dev/print52046逻辑设备名系统设备表指针/dev/tty3/dev/printer5共二十页6、4、4 SPOOLing技术该技术用于将一台独占设备改造成共享设备（假脱机）一、SPOOLing系统的组成1）输入井和输出井收容I/O设备输入的数据和用户程序输出的数据；2）输入缓冲区和输出缓冲区内存中开辟的暂存区；3）输入进程SPi和输出进程SPo模拟脱机输入输出时的外围控制机；4）请求打印队列若干张请求打印表所形成的队列；二、SPOOLing系统的特点1）提高了I/O速度(sd)；2）将独占设备改造为共享设备；3）实现了虚拟设备功

14、能；共二十页6、5 设备(shbi)处理6、5、1 设备驱动程序的功能和特点一、功能：1）将接收到的抽象要求转换为具体要求； 2）检查用户I/O 请求的合法性； 3）发出I/O命令，启动分配到的I/O设备； 4)及时响应由通道或控制器发来的中断请求 5）根据用户的I/O请求，自动构成通道程序二、处理方式：1）为每类 设备设置(shzh)一个进程； 2）在整个系统中设置一个I/O进程； 3）不设置专门的设备处理进程；三、特点：1）通信作用：记录设备状态，反映I/O操作 2）与I/O设备的特性紧密相关； 3）与I/O控制方式紧密相关； 4）与硬件紧密相关；共二十页6、5、2 设备驱动程序的处理过程1）将抽象要求转换为具体要求；2）检查I/O请求的合法性；3）读出和检查设备的状态；4）传送必要的参数；5）方式的设置；6）启动(qdng)I/O设备；6、5、3 中断处理程序的处理过程1）唤醒被阻塞的驱动程序进程；2）保护被中断进程的CPU环境；3）分析中断原因，转入相应的设备中断处理程序；4）进行中断处理；5）恢复被中断进程的现场共二十页内容摘要第六节 设备管理。几个字节数百字节/s，如键盘、鼠标。数千字节数十千字节/s,如行式打印机。数百千字节数兆字节/s,如磁带机、光盘。2)控制信号由控制器发送给